Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 49. Елементарні частинки, їхня класифікація, реєстрація та характеристика

Вивчаючи фізику, ми не раз говорили про існування в природі частинок, які називають елементарними. Ви вже ознайомилися з електроном, фотоном, протоном і нейтроном. Але що ж таке елементарна частинка?

У самому слові «елементарна» закладено подвійний зміст. З одного боку, елементарний — це найпростіший, з другого боку, під елементарним розуміють щось фундаментальне, що лежить в основі речей. Саме в цьому розумінні і називають субатомні частинки (частинки, з яких складаються атоми) елементарними.

Жодна із частинок не існує вічно. Більшість елементарних частинок не може проіснувати більше від двох мільйонних частинок секунди, навіть тоді, коли немає жодного зовнішнього впливу. Наприклад, вільний нейтрон (нейтрон поза атомним ядром) існує в середньому 15 хв.

Тільки такі частинки, як фотон, електрон, протон і нейтрино, могли б залишитися незмінними, якби кожна з них була одна на світі.

Але разом з електронами і протонами існують позитрони і антипротони, від зіткнення з якими частинки взаємно знищуються і утворюються нові.

Фотон, випромінений настільною лампою, існує не довше від 10-8 с. Це той час, який йому потрібен, щоб долетіти до сторінки книжки і поглинутися папером.

Лише нейтрино майже вічне, тому що воно надзвичайно слабко взаємодіє з іншими частинками. Але й нейтрино гинуть від зіткнення з іншими частинками, хоч такі зіткнення трапляються рідко. Усі елементарні частинки перетворюються одна в одну, і ці взаємні перетворення — основний факт їхнього існування.

На малюнку 3.29 ви бачите результат зіткнення ядра Карбону, що мало енергію 60 млрд еВ, з ядром Аргентуму фотоемульсії. Ядро розпадається на уламки, які розлітаються в усі боки. Одночасно народжується багато нових елементарних частинок — піонів.

Мал. 3.29

За сучасними уявленнями, елементарні частинки — це первинні частинки, які далі не розкладаються, з них складається вся матерія. Проте неподільність елементарних частинок не означає, що вони не мають внутрішньої структури.

Існування двійника електрона-позитрона теоретично передбачив англійський фізик Поль Дірак (1902-1984) у 1931 р.

Коли зустрічаються позитрон і електрон, обидві частинки зникають — анігілюють, народжуючи фотони великої енергії. Може бути і зворотний процес — утворення електронно-позитронної пари, наприклад, коли стикається фотон досить великої енергії (його маса має бути більшою від суми мас спокою народжуваних частинок) з ядром.

Через два роки позитрон виявили за допомогою камери Вільсона, вміщеної в магнітне поле. Напрямок викривлення треку частинки вказував на знак її заряду, а за радіусом кривизни й енергією частинки визначили відношення її заряду до маси. Воно за значенням таке саме, як і для електрона. На малюнку 3.30 ви бачите першу фотографію, яка довела існування позитрона. Частинка рухалася вгору і, пройшовши через свинцеву пластинку, втратила частину своєї енергії. Тому кривизна траєкторії збільшилася.

Мал. 3.30

Процес утворення пари електрон-позитрон γ-квантом у свинцевій пластинці видно на фотографії (мал. 3.31). У камері Вільсона, вміщеній у магнітне поле, пара залишає характерний слід у вигляді дворогої вилки.

Мал. 3.31

Те, що зникнення одних частинок і поява інших під час реакції між елементарними частинками — це перетворення, а не просто виникнення нової комбінації складових частин старих частинок, особливо виявляється саме під час анігіляції пари електрон-позитрон. Обидві ці частинки мають певну масу у стані спокою — електричні заряди.

Порівняно недавно виявили антипротон і антинейтрон. Електричний заряд антипротона негативний.

Атоми, ядра яких складаються з антинуклонів, а оболонка — з позитронів, утворюють антиречовину. У 1969 р. уперше було одержано антигелій.

Під час β-розпаду з ядра вилітає електрон. Але електрона в ядрі немає. Звідки ж він береться? Після того як електрон вилітає з ядра, заряд ядра, а отже, і кількість протонів збільшується на одиницю. Масове число ядра не змінюється. Це означає, що кількість нейтронів зменшується на одиницю. Отже, у β-радіоактивних ядрах нейтрон здатний розпадатися на протон і електрон. Протон залишається в ядрі, а електрон вилітає назовні. Лише в стабільних ядрах нейтрони стійкі.

Швейцарський фізик Вольфганг Паулі (1890-1958) припустив, що разом з протоном і електроном під час розпаду нейтрона народжується якась частинка-«невидимка», що й виносить із собою енергію, якої не вистачає. Цю частинку прилади не реєструють, оскільки вона не має електричного заряду і маси спокою. Отже, вона не може йонізувати атоми, розщеплювати ядра, тобто не може спричинювати ефекти, за якими можна судити про виникнення частинки.

Цю частинку Енріко Фермі (1901-1954) назвав нейтрино. Виявилось, що маса спокою нейтрино, як і передбачав Паулі, дорівнює нулю. Це означає, що нейтрино в стані спокою немає. Ледь з’явившись на світ, вони одразу рухаються зі швидкістю 300 000 км/с. Розраховуючи взаємодію нейтрино з речовиною в шарі певної товщини, одержали досить невтішний результат щодо можливості виявити цю частинку експериментально. Земна куля для нейтрино прозоріша, ніж найкраще скло для світла.

Роль нейтрино не зводиться лише до пояснення β-розпаду ядер. Багато елементарних частинок у вільному стані спонтанно розпадається, випромінюючи нейтрино. Передусім так поводиться нейтрон. Тільки в ядрах нейтрон унаслідок взаємодії з іншими нуклонами набуває стабільності. Вільний нейтрон живе в середньому 15 хв. Це довели експериментально лише після того, як було побудовано ядерні реактори, що дають потужні пучки нейтронів.

Як і інші частинки, нейтрино ν має античастинку, яку називають антинейтрино ṽ. Під час розпаду нейтрона на протон і електрон випромінюється саме антинейтрино: n → р + е + ṽ.

Енергія нейтрона завжди більша від суми енергій протона й електрона. Надлишкову енергію виносить із собою антинейтрино.

Розпад частинки зовсім не ознака того, що вона не елементарна. Нейтрон, незважаючи на свою нестабільність, вважається елементарною частинкою, а дейтрон складається з нейтрона і протона, хоч він і стабільний.

У свій час було відкрито групу «дивних» частинок: К-мезонів і гіперонів з масами, більшими від маси нуклонів. У 70-ті роки XX ст. до них приєдналася велика група «зачарованих» частинок, які мають ще більші маси. Крім того, було відкрито частинки з коротким життям — близько 10-22-10-23 с. Ці частинки назвали резонансами, їх було понад 200.

Якщо до таблиці елементарних частинок не вносити резонанси і «зачаровані» частинки, то матимемо 39 частинок. Усі частинки поділяють на групи:

Фотон.

Лептони. Це 12 частинок (з античастинками). Є 3 види нейтрино: електронне нейтрино народжується разом з електронами, мюонне нейтрино — з μ-мезонами і τ-мезонне нейтрино — з τ-мезонами. Далі йдуть електрон, μ-мезон і τ-мезон, відкритий у 1975 р.

Мезони. Ця група має 8 частинок. Найлегші з них π-мезони: позитивні, негативні й нейтральні. Їхні маси — 264 (π°) і 273 (π+, π-) електронних мас. Піони — це кванти ядерного поля, подібно до того, як фотони є квантами електромагнітного поля. Ще є 4 К-мезони і 1 η°-мезон.

Баріони. До цієї групи входять 18 частинок із 39. Найлегші баріони — це протони і нейтрони. За ними йдуть так звані гіперони. Таблицю замикає Ω--частинка (омега мінус), відкрита в 1964 р., її маса в 3273 рази більша від маси електрона. Існування великої кількості частинок наводить на думку, що не всі вони однаково елементарні.

Ще в 1963 р. Маррі Гелл-Ман (1929) і Джордж Цвейг (1937) запропонували модель, за якою всі частинки, що беруть участь у сильних (ядерних) взаємодіях, народжені з фундаментальніших (або первинних) частинок — кварків.

Кваркам приписали дробові електричні заряди, їх позначають літерами: u, d, s. Перший — u-кварк — має заряд 2/3е, a d- і s-кварк мають однакові заряди по -1/3е (де е — модуль заряду електрона). Протон складається з двох u-кварків і одного d-кварка; піони складаються з комбінації кварк-антикварк і т. д. Дивні частинки (каони і гіперони) містять важчий s-кварк, його називають «дивним».

Передбачалося існування четвертого с-кварка, його назвали «зачарованим». Потім експериментально виявили частинки, до яких входить цей кварк. Маса с-кварка більша за масу s-кварка.

За сучасними уявленнями, усі лептони, як і кварки, не мають внутрішньої структури. Тому їх можна вважати справді елементарними частинками. Без античастинок відкрито 6 лептонів. Відкрито 5 кварків. П’ятий — це так званий b-кварк, маса якого більша від маси с-кварка. Припускають, що є ще й шостий кварк, масивніший за b-кварк. Теоретичний аналіз приводить до висновку про те, що має бути кварк-лептонна симетрія — речовина, побудована із шести різних лептонів і шести різних кварків. Разом з їхніми античастинками цих справжніх елементарних частинок налічується 24.

До них треба ще додати квант електромагнітного поля — фотон — і кванти поля, що зумовлює міжкваркові взаємодії. Частинки міжкваркового поля називають глюонами. Експериментально глюонів поки що не виявлено. Є ще кванти поля слабких взаємодій — векторні бозони. їх вперше виявлено 1983 р. на Женевському прискорювачі.

До застосування потужних прискорювачів заряджених частинок єдиним джерелом частинок з енергією, достатньою для утворення мезонів і гіперонів, було космічне випромінювання.

Космічне випромінювання — потік атомних ядер (в основному протонів), що потрапляє на Землю зі світового простору й утворює в земній атмосфері вторинне випромінювання, у якому виявлено багато елементарних частинок.

Відкриття космічного випромінювання пов’язане з проведенням на початку XX ст. дослідів, які вказували на існування слабкої йонізації повітря, що спричиняла розряд електроскопів, екранованих товстим шаром речовини. Дослідження причин цього ефекту привели до відкриття випромінювання неземного походження, яке пізніше назвали космічним. Середня енергія космічних частинок становила близько 10 ГеВ, а енергія окремих частинок сягала 1010 ГеВ. Потік первинного космічного випромінювання на межі атмосфери в період мінімуму сонячної активності становить 7 · 102...104 частинок на 1 м2/с і збільшується в кілька разів з наближенням до максимуму активності. Потік заряджених частинок на рівні моря дорівнює в середньому 1,7 · 102 частинок на 1 м2/с і мало змінюється із сонячною активністю.

Учені вважають, що головним джерелом космічного випромінювання є так звані пульсари, яких у нашій Галактиці нараховується близько 10 млн. Характерну перевагу важких елементів у складі первинного космічного випромінювання, очевидно, можна пояснити переважним прискоренням важких ядер (Z > 20) у джерелах космічного випромінювання. Поява легких елементів у складі космічного випромінювання спричинена розщепленням важких ядер при взаємодії з ядрами міжзоряного газу.

Для реєстрації елементарних частинок використовують прилади, які призначено для знаходження та ідентифікації заряджених частинок. Дія всіх приладів ґрунтується на загальному принципі: заряджені частинки, потрапляючи в прилад, пролітають через речовину, при цьому можуть спричиняти збудження атомів, їх йонізацію.

Мал. 3.32

Перший детектор елементарних частинок — спінтарископ Крукса (мал. 3.32), що ґрунтується на сцинтиляційному методі, з’явився в 1903 р. Він давав змогу зареєструвати наявність зарядженої частинки. Йому на зміну в 1908 р. прийшов газорозрядний лічильник (мал. 3.33). Німецький фізик Ханс Гейгер (1882-1945) використовував для рахунку заряджених частинок газовий розряд (виникнення іскри розряду в газі при проходженні частинки). Цей лічильник реєстрував α-випромінювання радіоактивних елементів. Пізніше, у 1913 р., Гейгер разом з іншим ученим Ервіном Мюллером (1911-1977) удосконалив свій прилад, який тепер працював у сфері самостійного розряду. Газорозрядні лічильники дають змогу лише реєструвати факт проходження через них частинок і визначити деякі їхні характеристики.

Ханс Гейгер

Мал. 3.33

Важливу роль у ядерних дослідженнях відіграють прилади, які дають змогу зафіксувати трек (слід) зарядженої частинки.

У 1912 р. шотландський учений Чарльз Вільсон (1869-1959) створив прилад для реєстрації частинок — туманну камеру (мал. 3.34). Її дія ґрунтується на конденсації перенасиченої пари на йонах з утворенням крапель води. Слід частинки видимий, і його можна сфотографувати.

Мал. 3.34

Інший трековий прилад з’явився у 1952 р. Американський учений Дональд Глазер (1926-2013) створив бульбашкову камеру, у якій частинки рухаються в перегрітій рідині, і при цьому утворюються бульбашки пари (мал. 3.35).

Мал. 3.35

Для реєстрації частинок використовують ще один метод — метод товстошарових емульсій, у якому фотографуються заряджені частинки.

Усі сучасні реєстрації ядерних частинок ділять на 2 групи: 1. Лічильні методи, ґрунтуються на використанні приладів, які рахують число частинок того чи іншого типу. 2. Трекові методи, які дають змогу відтворювати слід частинки.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Електрон — найлегша із заряджених частинок. За яким із законів, які ви знаєте, не можна перетворити електрон у фотон?
  • 2. Під час анігіляції електрона і позитрона, які рухаються повільно, утворилося 2 γ-кванти. Під яким кутом один відносно одного вони розлітаються?
  • 3. Яка частота γ-квантів, що виникають за умов, зазначених у попередньому запитанні?
  • 4. Чому вільний нейтрон розпадається на протон, електрон та антинейтрино, а вільний протон не може розпастися на нейтрон, позитрон і нейтрино?
  • 5. Що таке кварк?
  • 6. Що таке космічне випромінювання?
  • 7. Які методи реєстрації елементарних частинок ви знаєте?
  • 8. Чи можна в камері Вільсона спостерігати трек зарядженої частинки із часом життя 10-23 с?

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Чому нейтрони є кращими снарядами для руйнування ядра атома, ніж протони, електрони, α-частинки?

Відповідь. Нейтрон завдяки своїй нейтральності з будь-якою енергією (від часток до кількох мільйонів електрон-вольт) вільно проникає в будь-яке ядро, включаючи і важкі. Але в кожному конкретному випадку частинки-снаряди повинні мати відповідну енергію.

2. Скільки відбувається α- і β-розпадів під час радіоактивного розпаду 23892U, якщо він перетворюється в 19882Рb?

Розв’язання

3. При зіткненні α-частинки з ядром бора 105В відбулась ядерна реакція, унаслідок якої утворилося 2 нових ядра. Одне із цих ядер було ядро атома Гідрогену 11H. Визначте порядковий номер і масове число другого ядра, дайте символічний запис ядерної реакції і визначте її енергетичний ефект.

Розв’язання

4. Визначте добові витрати Урану 23892U на атомній електростанції потужністю 7 МВт, якщо ККД електростанції 20 %. При кожному розпаді виділяється енергія 200 МеВ.

Розв’язання